JP6414239B2 - 水力発電システム - Google Patents

Description

本発明は、水力発電システムに関するものである。

水路（例えば管路）を流れる流体（例えば水）によって発電を行う水力発電システムがある。例えば特許文献１に開示の水力発電システムは、管路に水車（流体機械）が接続される。流体によって水車が回転駆動されると、水車に接続される発電機が駆動される。発電機の出力電力は例えば逆潮流によって電力系統に供給される。また、発電した電力は、水力発電システムが設置された施設の設備などで利用されることもある。

特開２０１４−２１４７１０号公報

ところで、水力発電システムが設置された施設などでは、商用電源から電力を購入し当該設備で利用したり、水力発電システムの運用に利用したりすることが多い。そのため、このような施設等では、購入する電力の料金低減が望まれる。それに対しては、逆潮流させる電力（売電する電力）を減らして、水力発電システムの発電電力を施設等で利用すればよいとも考えられるが、水車に対して常に所望流量で流体を供給できるとは限らない。

本発明は前記の問題に着目してなされたものであり、水力発電システムによって、購入電力料金の低減を図ることを目的としている。

前記の課題を解決するため、第１の態様は、
流体が流れる流路（1）に配置される水車（60）と、
前記水車（60）によって駆動される発電機（50）と、
前記発電機（50）によって所定の電力を発電する第１制御モードと、前記発電機（50）による発電電力が前記第１制御モードよりも小さい又は発電電力がゼロである第２制御モードとを切り換えて、前記水車（60）の運転点を制御する制御部（20）とを備え、
前記制御部（20）は、商用電源（5）から購入する電力の単価がより高くなる時間帯に前記第１制御モードによる制御を行うとともに、所定期間（T）における前記流体の積算流量（Qs）が所定の目標値（X）になるように、前記所定期間（T）内における、前記第１制御モードによる運転時間（t1）と前記第２制御モードによる運転時間（t2）とを振り分けることを特徴とする水力発電システムである。

この構成では、商用電源（5）から購入する電力の単価がより高くなる時間帯に第１制御モードによる制御が行われる。

また、この構成では、所定期間（T）における流体の積算流量（Qs）が目標値（X）に制御される。

また、第２の態様は、第１の態様において、
前記商用電源（5）の電力料金の情報を取得する料金情報取得部（26）を備え、
前記制御部（20）は、前記料金情報取得部（26）が取得した前記電力料金の情報を用いて、前記商用電源（5）から購入する電力の単価がより高くなる時間帯に前記第１制御モードによる制御を行うことを特徴とする水力発電システムである。

この構成では、電力料金の情報に応じて、制御モードが切り替わる。

また、第３の態様は、第１又は第２の態様において、
前記制御部（20）は、所定の期間中の発電電力量（Psum）が最大となるように前記水車（60）を制御することを特徴とする水力発電システムである。

この構成では、所定の期間中の発電電力量（Psum）の最大化が行われる。

また、第４の態様は、第１から第３の態様の何れかにおいて、
前記流体の少なくとも一部を前記水車（60）から迂回させる迂回路（13）を備え、
前記制御部（20）は、前記第１制御モードでは、前記迂回路（13）に前記流体を流さない状態で前記水車（60）に前記流体を供給して前記発電機（50）を駆動させ、前記第２制御モードでは、前記迂回路（13）に前記流体を流しつつ前記水車（60）に前記流体を供給して前記発電機（50）を駆動させることを特徴とする水力発電システムである。

この構成では、迂回路（13）を利用して流量が調整される。

第１の態様によれば、購入電力料金の低減を図ることが可能になる。

また、第２の態様によれば、確実に購入電力料金の低減を図ることが可能になる。

また、第３の態様によれば、所定期間の発電電力量の最大化によって、確実に購入電力料金の低減を図ることが可能になる。

また、第１の態様によれば、所定期間の積算流量を適切に制御することが可能になる。

また、第４の態様によれば、確実に流量を調整することが可能になる。

図１は、本発明の実施形態１の水力発電システムを含む管路の全体概略構成を示す。 図２は、水力発電システムの電力系統図である。 図３は、水力発電システムの特性マップの一例を示す。 図４は、第２制御モードにおける運転点を例示する。 図５は、第２制御モードにおける総流量と管理期間における発電電力量との関係を例示する。 図６は、第１制御モードと第２制御モードが実施される時間帯を説明する図である。 図７は、本発明の実施形態２の水力発電システムを含む管路の全体概略構成を示す。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

《発明の実施形態１》
図１は、本発明の実施形態１の水力発電システム（10）を含む管路（1）の全体概略構成を示す。この管路（1）は、落差を有して流体が流れるものであり、本発明の流路の一例である。本実施形態では、管路（1）は、上水道（4）の一部である。この上水道（4）には、貯留槽（2）と受水槽（3）とが設けられており、本実施形態の管路（1）は、貯留槽（2）と、該貯留槽（2）の下流に設けられた受水槽（3）とを繋ぐように配置されている。

〈水力発電システム（10）〉
図１に示すように、水力発電システム（10）は、水車（60）と発電機（50）とを備えている。また、図２は、水力発電システム（10）の電力系統図である。水力発電システム（10）は、発電機コントローラ（20）、及び系統連系インバータ（30）を備えている。水力発電システム（10）では、発電した電力を電力系統に供給している。この例では、電力系統は、交流電源（この例では商用電源（5））であり、水力発電システム（10）では、商用電源（5）への電力供給（いわゆる逆潮流）によって、いわゆる売電を行っている。なお、この水力発電システム（10）が設置された施設では、時間帯によって電力料金が変化する料金体系で商用電源（5）を利用しているものとする。

水車（60）は、管路（1）の途中に配置されている。この例では、水車（60）は、羽根車、及びケーシングを備えている（何れも図示は省略）。羽根車には、渦巻きポンプに備えるインペラが流用されている。この羽根車の中心部には、回転軸（19）が固定されている。水車（60）は、ケーシングに形成された流体流入口（図示を省略）からの水流によりインペラが圧力を受けて回転して、回転軸（19）を回転させるようになっている。なお、水車（60）に流入した流体は、ケーシングに形成された流体排出口（図示を省略）から排出される。

発電機（50）は、水車（60）の回転軸（19）に連結されて回転駆動され、発電を行う。この例では、発電機（50）は、永久磁石埋込型のロータと、コイルを有したステータとを備えている（何れも図示は省略）。

管路（1）には、流入管（11）、流出管（14）、第１分岐管（12）、及び第２分岐管（13）が接続されている。本実施形態の管路（1）は、金属管（例えばダクタイル鋳鉄管）によって構成されている。流入管（11）の流入端には貯留槽（2）が接続されている。流出管（14）の流出端には受水槽（3）が接続されている。流入管（11）と流出管（14）との間には、第１分岐管（12）及び第２分岐管（13）が互いに並列に接続されている。第１分岐管（12）は、水車（60）を駆動する水が流れる水車側の流路を構成する。第２分岐管（13）は、水車（60）をバイパスする迂回路を構成する。

第１分岐管（12）には、上流から下流に向かって順に、第１流量計（17）、第１電動弁（15）、及び水車（60）（詳しくは水車（60）の流体流入口）が接続されている。水車（60）の流体排出口には、流出管（14）が接続されている。第２分岐管（13）には、上流から下流に向かって順に、第２流量計（18）、第２電動弁（16）が接続されている。

第１流量計（17）及び第２流量計（18）は、電気によって作動するように構成されている。第１流量計（17）は、水車（60）を流れる水の流量を検出し、検出信号を出力する。第２流量計（18）は、第２分岐管（13）を流れる水の流量を検出し、検出信号を出力する。なお、第１流量計（17）の検出値と、第２流量計（18）の検出値との和が、管路（1）から流出する前記流体の総流量（QT）である。

第１電動弁（15）及び第２電動弁（16）は、電動モータによって弁体を駆動することで流体の流量を制御する。第１電動弁（15）は、例えば、水車（60）のメンテナンス等において閉状態となり、停止状態の水車（60）での水の通過を禁止する。第１電動弁（15）は、水力発電システム（10）の運転中において、所定開度（例えば固定値）で開放される。第２電動弁（16）は、第２分岐管（13）を流れる水の流量を制御する。なお、第１電動弁（15）や第２電動弁（16）には、その特性を示す指標として、弁容量の可変範囲（いわゆるレンジアビリティ）があり、また、最小調整可能流量（安定な流れの状態を維持することができる最小流量）がある。

この水力発電システム（10）が設置された管路（1）では、所定の期間（管理期間（T）と命名する）あたりの、水力発電システム（10）を流れる流体の積算流量（Qs）を、所定の目標値（X）（以下では契約水量（X）とも呼ぶ）に制御することが求められているものとする。すなわち、水力発電システム（10）では、管理期間（T）において、水車（60）の流量（Q1）（瞬時値）の積算値と、第２分岐管（13）の流量（Q2）（瞬時値）の積算値との和が契約水量（X）となるように制御することが求められている。この例では、管理期間（T）＝１日、すなわち管理期間（T）＝86,400秒であり、X＝10,000ｍ^３/dayであるものとする。なお、積算流量（Qs）の目標値（X）は、所定の下限値として与えられるものでもよいし、所定の上限値として与えられるものでもよい。

発電機コントローラ（20）は、本発明の制御部の一例であり、発電機（50）によって所定の電力を発電する第１制御モードと、発電機（50）による発電電力が第１制御モードよりも小さい第２制御モードとを切り換えて、水車（60）及び発電機（50）を制御する。この制御を実現するため、発電機コントローラ（20）は、ＡＣ／ＤＣコンバータ部（21）、タイマー（22）、流量検出部（23）、流量指令決定部（24）、流量制御部（25）、及び料金情報取得部（26）を備えている。

ＡＣ／ＤＣコンバータ部（21）は、複数のスイッチング素子を備え、発電機（50）によって発電された電力（交流電力）をスイッチングして直流電力に変換する。該直流電力は、平滑コンデンサ（図示を省略）によって平滑化され、系統連系インバータ（30）に供給される。

タイマー（22）は、後に詳述する第１制御モードと第２制御モードとの切り換えタイミングを指示する。具体的に本実施形態では、タイマー（22）には、第１制御モードを開始する時刻が設定され、設定された時刻になる度にタイマー信号（Sg）を流量指令決定部（24）に出力する動作を繰り返す。

流量指令決定部（24）は、マイクロコンピュータと、それを動作させるためのプログラムが格納されたメモリディバイスとを用いて構成されている。流量指令決定部（24）は、水車（60）における流体の流量（Q1）を指示する第１流量指令値（Q1*）と、第２分岐管（13）における流体の流量（Q2）を指示する第２流量指令値（Q2*）とを生成する。第１流量指令値（Q1*）等の生成については後に詳述する。

流量制御部（25）は、マイクロコンピュータと、それを動作させるためのプログラムが格納されたメモリディバイスとを用いて構成されている。このマイクロコンピュータやメモリディバイスは、流量指令決定部（24）を構成するものと共用してもよいし、別個に設けてもよい。この流量制御部（25）は、ＡＣ／ＤＣコンバータ部（21）におけるスイッチングを制御することによって、発電機（50）の発電電力を制御する。具体的には、流量制御部（25）は、第１流量指令値（Q1*）と現在の流量（Q1）（例えば第１流量計（17）の検出値）との差に応じて、フィードバック制御を行うことによって、水車（60）の流量を制御するとともに、発電機（50）の発電電力（出力電圧）を制御している。

また、流量制御部（25）は、第２分岐管（13）の流量（Q2）の制御も行う。この例では、流量制御部（25）は、流量指令決定部（24）から与えられた第２流量指令値（Q2*）に基づいて、第２分岐管（13）の流量を制御する。より詳しくは、流量制御部（25）は、第２流量指令値（Q2*）と現在の流量（Q2）（例えば第２流量計（18）の検出値）との差に応じて、フィードバック制御を行うことによって、第２電動弁（16）の開度を制御する。なお、第２流量指令値（Q2*）がゼロの場合には、流量制御部（25）は、第２電動弁（16）を全閉に制御する。

料金情報取得部（26）は、商用電源（5）の電力料金の情報を取得する。既述の通り、水力発電システム（10）が設置された施設では、時間帯によって電力料金が変化する料金体系で商用電源（5）を利用しており、料金情報取得部（26）が取得する電力料金の情報は、電力料金（例えば、所定の電力量あたりの料金）とその料金が適用される時間帯を対応づけたもの（以下、料金テーブルとも呼ぶ）である。なお、この例では、２４時間を７時から２３時までの時間帯（以下、説明の便宜のため昼間料金期間と呼ぶ）と、２３時から翌日の７時までの時間帯（夜間料金期間と呼ぶ）とに区切って、昼間料金期間の方が夜間料金期間よりも、電力の単価が高く設定されているものとする。

料金情報取得部（26）が料金テーブルを取得する方法には、特には限定はないが、例えば、料金テーブルをインターネット通信で取得する構成としたり、ユーザから与えられた記録媒体（例えばメモリーカードなど）から読み取る構成としたりすることが考えられる。また、キーボードやスイッチ等を用いてユーザが料金テーブルを入力するように料金情報取得部（26）を構成してもよい。

系統連系インバータ（30）は、インバータ部（31）を備えている。インバータ部（31）は、複数のスイッチング素子を備え、発電機コントローラ（20）からの直流電力を受けて、該直流電力をスイッチングすることによって交流電力に変換する。インバータ部（31）が生成した交流電力は、電力系統（商用電源（5））に供給（逆潮流）される。なお、インバータ部（31）は、前記スイッチングを制御することによって、電力系統（商用電源（5））に逆潮流させる電力（電圧）を制御する。

〈水力発電システムにおける制御〉
水力発電システム（10）では、運転時に以下に説明する２つの制御モード（それぞれ第１制御モード及び第２制御モード）の切り換えが行われる。第１流量指令値（Q1*）や第２流量指令値（Q2*）の決め方も制御モードによって異なってくる。これらの制御モードの切り換えや、各制御モードにおける第１流量指令値（Q1*）、第２流量指令値（Q2*）の生成は、主に流量指令決定部（24）が行う。

−第１制御モード−
まず、第１制御モードは、第２分岐管（13）に流体を流さない状態で水車（60）に流体を供給して発電機（50）を駆動させる制御モードである。第１制御モードでは、第１電動弁（15）の開度が固定値（この例では全開）に制御され、第２電動弁（16）は全閉に制御される。すなわち、第１制御モードでは第２分岐管（13）の流量（Q2）＝０であり、流量指令決定部（24）は、第２流量指令値（Q2*）としてゼロを出力する。また、第１制御モードでは、発電機（50）の発電電力（P）が最大となるように水車（60）の流量が制御される。具体的には、流量指令決定部（24）は、予め前記プログラム内に定義した、関数、或いは後述の特性マップ（M）を用いる等して発電電力（P）が最大となる運転点を求め、その運転点に対応した第１流量指令値（Q1*）を生成する。

図３に水力発電システム（10）の特性マップ（M）の一例を示す。本実施形態では、流量指令決定部（24）のメモリディバイスに特性マップ（M）が記憶されている。この特性マップ（M）は、縦軸を管路（1）の有効落差（H）、横軸を管路（1）から流出する流量（すなわち総流量（QT））としたＱ−Ｈマップ上に、発電機（50）において検出可能で、且つ水車（60）における流量（Q1）と有効落差（H）とに相関する特性を記録したものである。この例では、流量（Q1）と有効落差（H）とに相関する特性は、発電機（50）のトルク値（T）、回転速度（N）、発電電力（P）がある。より具体的に本実施形態の特性マップ（M）は、複数の等トルク曲線と、複数の等回転速度曲線をＱ−Ｈマップ上に記録したものであり、テーブル（数表）や、プログラム内の数式（関数）という形で、流量指令決定部（24）を構成するメモリディバイスに格納されている。

この特性マップ（M）において、発電機（50）に負荷をかけずトルク零値（T=0）とした場合の無拘束曲線と回転速度零値（N=0）の等回転速度曲線（水車（60）の回転数が極めて小さくなる、あるいはゼロとなることに起因して、発電機（50）の制御（トルク値や回転数の制御）により、水車（60）の流量を調節することができなくなる運転点の境界を動作限界曲線と命名する）との間の領域は、水車（60）が水流により回転する水車領域（運転可能領域）であり、発電機（50）は、この水車領域において、水車（60）により回転駆動されて運転されるのを基本とする。前記無拘束曲線よりも左側の領域は、水車ブレーキ領域（力行領域）である。

前記水車領域において、複数の等トルク曲線は前記無拘束曲線（T=0）に沿い、マップ上、流量（Q1）の増大に応じてトルク値も増大する。また、複数の等回転速度曲線は回転速度零値（N=0）の等回転速度曲線に沿い、有効落差（H）が大きくなるほど回転速度も上昇する。更に、破線で示した等発電電力曲線は下に凸な曲線であって、有効落差（H）及び流量（Q1）の増大に応じて発電電力も増大する。この複数の等発電電力曲線の頂点を結ぶ曲線（E）は、発電機（50）が、最大発電電力を得る最大発電電力曲線（E）である。このＱ−Ｈマップ上に発電機（50）のトルク値（T）、回転速度（N）、発電電力（P）を記録した特性マップ（M）は、水力発電システム（10）が接続される管路（1）とは無関係であり、水力発電システム（10）に固有の特性マップである。

そして、特性マップ（M）に、実際の運転で測定した管路（1）のシステムロスカーブ（S）を記録する。このシステムロスカーブ（S）もテーブル（数表）や、プログラム内の数式（関数）という形で、流量指令決定部（24）を構成するメモリディバイスに格納する。

システムロスカーブ（S）は、図１に示した管路（1）に固有の流動抵抗特性線であって、総流量（QT）=０のときの有効落差（H）が総落差（Ho）であり、総流量（QT）の増大に応じて有効落差（H）が二次曲線的に減少する特性を持ち、その曲率は図１の管路（1）固有の値を持つ。水力発電システム（10）を含む管路（1）における総流量（QT）とその際の有効落差（H）とは、システムロスカーブ（S）上の点に対応する。例えば、第２電動弁（16）を全閉状態にして、水車（60）にのみ水を流したとすると、水車（60）における流量が、水力発電システム（10）を含む管路（1）の総流量（QT）であり、その際の水車（60）の流量（Q1）と有効落差（H）に対応する点がシステムロスカーブ（S）上にある。換言すると、水車（60）の運転点は、システムロスカーブ（S）上にある。

第１制御モードでは、水車（60）の運転点はシステムロスカーブ（S）上にある。すなわち、発電機（50）の発電電力（P）を最大とするには、システムロスカーブ（S）と最大発電電力曲線（E）との交点（R0）に、水車（60）の運転点を定めればよい。その運転点に対応した流量は、特性マップ（M）から求めることができるので、流量指令決定部（24）は、特性マップ（M）から求めた流量を第１流量指令値（Q1*）とすればよい。図３の例では、流量指令決定部（24）は、第１流量指令値（Q1*）＝QTmaxとすることになる。なお、第１制御モードにおける水車（60）の運転点の選択は例示であり、発電電力（P）が最大となる交点（R0）以外の、システムロスカーブ（S）上の点を運転点として選択してもよい。

−第２制御モード−
第２制御モードは、第２分岐管（13）に流体を流しつつ水車（60）にも流体を供給して発電機（50）を駆動させる制御モードである。第２制御モードでは、第１電動弁（15）の開度が固定値（この例では全開）に制御されるとともに、第２電動弁（16）の開度が、第２流量指令値（Q2*）に応じて適宜制御される。第２流量指令値（Q2*）の設定については後述する。

−制御モードの切り換え−
流量指令決定部（24）は、管理期間（T）内における、第１制御モードによる運転時間（t1）と第２制御モードによる運転時間（t2）の振り分けを決め、その振り分けに応じてこれらの制御モードを切り換えている。その制御モードの切り換えを行うため、流量指令決定部（24）は、まず、次の式（１）、式（２）を用いて第１制御モードによる運転時間（t1）と第２制御モードによる運転時間（t2）とを求めている。

X＝Q’×t1＋Q’’×t2 ・・・・式（１）
t2＝T−t1 ・・・・式（２）
ただし、式（１）等において、Ｘは契約水量、Q’は第１制御モードで運転した場合における総流量（瞬時値）、Q’’は第２制御モードで運転した場合における総流量（瞬時値）、Ｔは管理期間、ｔ１は第１制御モードでの運転時間である。また、ｔ２は第２制御モードでの運転時間である。ｔ１とｔ２の振り分けを決める際に、流量指令決定部（24）は、第２制御モードにおける第１流量指令値（Q1*）や第２流量指令値（Q2*）も決めている。

具体的には、流量指令決定部（24）は、まず、第２制御モードにおける第２流量指令値（Q2*）を決める。ここでは、例えば、第２電動弁（16）の最小調整可能流量を第２流量指令値（Q2*）とする。勿論、この第２流量指令値（Q2*）の値は、例示であり、例えば契約水量（X）に応じて、前記最小調整可能流量よりも大きな値に第２流量指令値（Q2*）を設定することも可能である。

次に、本実施形態では、流量指令決定部（24）は、第２制御モードにおける発電電力量（Psum）が最大となるように、第２制御モードにおける総流量（QT）＝Q’’を定める。ここで、発電電力量（Psum）とは、電力（瞬時値）を積分したもの（積算値）であり、本実施形態では、管理期間（T）の電力の積算値である。

水車（60）と第２分岐管（13）の両方に流体（水）を流したとすれば、水車（60）における流量（Q1）と第２分岐管（13）における流量（Q2）との合計値が、水力発電システム（10）を含む管路（1）の総流量（QT）であり、総流量（QT）とその際の有効落差（H）がシステムロスカーブ（S）上の点（全体の運転点（R1）と呼ぶ）に対応し、水車（60）の運転点はシステムロスカーブ（S）上にはない。図４に、第２制御モードにおける、全体の運転点（R1）を例示する。図４に示すように、第２制御モードでは、水車（60）の運転点は、全体の運転点（R1）を通り横軸に平行な線（図４の点線）上にある。

例えば、第２制御モードにおける発電電力量（Psum）を最大化したい場合には、図４に示すように、水車（60）の運転点を、全体の運転点（R1）を通り横軸に平行な線と、最大発電電力曲線（E）との交点（R2）上にすればよい。流量指令決定部（24）には特性マップ（M）が格納されているので、流量指令決定部（24）は、交点（R2）を求めることができる。この交点（R2）に対応する特性マップ（M）上の流量が第１流量指令値（Q1*）となる。図５は、第２制御モードにおける総流量（QT）＝Q’’と管理期間（T）における発電電力量（Psum）との関係を例示する。図５では、横軸が総流量（QT）＝Q’’であり、縦軸が管理期間（T）における発電電力量（Psum）である。なお、図５は、契約水量（X）が与えられ、且つ第２電動弁（16）における流量が最小調整可能流量以上となるように該第２電動弁（16）の開度を調整した場合を例示している。

図５に示したグラフでは、点（A）は、管理期間（T）の積算流量（Qs）が契約水量（X）となるように、第２制御モードのみで運転が行われた場合における、総流量（QT）＝Q’’（瞬時値）及び発電電力量（Psum）を示している。このグラフから分かるように点（A）の状態から、総流量（Q’’）を増やして行くと、発電電力量（Psum）が徐々に増加し、点（B）を境に、発電電力量（Psum）は減少傾向となっている。つまり、点（B）において発電電力量（Psum）が最大値（Pmax）となっている。すなわち、図５に示すように、第２制御モードによる運転時には、総流量（Q’’）を適宜調整することによって、発電電力量（Psum）を調整することができる。

例えば、第２制御モード時の発電電力量（Psum）を最大化する場合には、流量指令決定部（24）は、発電電力量（Psum）の最大値（Pmax）に対応した流量であるQmを、第２制御モードにおける総流量（Q’’）として定めることになる。なお、必ずしも、第２制御モードにおける発電電力量（Psum）として、最大値（Pmax）を目標値とする必要はない。図５に示すように、第２制御モードにおける総流量（QT）＝Q’’を適宜設定することで、発電電力量（Psum）を調整できる。例えば、逆潮流可能な電力に制限がある場合等には、当該制限に合わせて総流量（QT）＝Q’’を設定することが考えられる。

第１制御モードにおいて発電電力（P）が最大となる運転点に対応した流量はQ’であるので、第２制御モードにおける総流量（QT）＝Q’’が定まると、式（１）と式（２）を用いて第１制御モードによる運転時間（t1）と第２制御モードによる運転時間（t2）を決定できる。また、既述の通り、特性マップ（M）を用いることによって、第２制御モードにおける水車（60）の運転点も決定できる。水車（60）の運転点が定まると、第１流量指令値（Q1*）を決定できる。なお、第２制御モードの実施時の発電電力（P）は、図４から分かるように、第１制御モードの実施時の発電電力よりも小さくなる。

前記のようにして各制御モードの運転時間（t1,t2）や、各制御モードにおける第１及び第２流量指令値（Q1*,Q2*）が定まると、流量指令決定部（24）は、料金情報取得部（26）が取得した電力料金の情報を用いて、昼間料金期間に第１制御モードによる制御が行われるように、タイマー（22）を設定する。具体的には、流量指令決定部（24）は、第１制御モードの開始時刻をタイマー（22）に設定する。例えば、７時から２３時までの時間帯が、より料金が高い昼間料金期間である場合には、本実施形態の流量指令決定部（24）は、昼間料金期間の開始時刻である7時をタイマー（22）に設定する。それにより、タイマー（22）は、7時になるとタイマー信号（Sg）を流量指令決定部（24）に出力する。

流量指令決定部（24）は、タイマー信号（Sg）を受信すると、第１制御モードの運転時間（t1）をセットした別のタイマー（以下、カウントダウンタイマーと呼ぶ）を起動するとともに、第１制御モードによる制御を実施する。そして、流量指令決定部（24）は、カウントダウンタイマーのカウント値に応じて第１制御モードから第２制御モードに制御を切り換える。

これにより、水力発電システム（10）では、管理期間（T）における契約水量（X）を満足しつつ、発電が行われる。タイマー（22）は、設定された時刻になるとタイマー信号（Sg）を流量指令決定部（24）に出力する動作を繰り返すので、水力発電システム（10）では、決まった時刻になると第１制御モードが実施されることになる。なお、ｔ１の設定によっては、制御モード１による運転が昼間料金期間の一部の期間のみで行われる場合もあれば、制御モード１による運転が昼間料金期間よりも長い期間行われる場合もある（図６参照）。なお、制御モード１による運転時間（t1）が、前記昼間料金期間よりも短い場合（図６参照）には、昼間料金期間の後半に制御モード１による運転を行ったり、昼間料金期間内に制御モード１による運転と制御モード２による運転とを交互に切り換えたりすることも可能である。

〈本実施形態における効果〉
以上のように、本実施形態によれば、比較的電力料金が高い時間帯に、より大きな発電力が得られる第１制御モードによる運転が実施される。そのため、水力発電システム（10）の発電電力を、該水力発電システム（10）が設置された施設などで有効に活用（すなわち当該施設で消費）することで、昼間料金期間における商用電源（5）からの購入電力量を減らすことが可能になる。すなわち、水力発電システム（10）によって、購入電力料金の低減を図ることが可能になる。

また、本実施形態では、管理期間（T）における契約水量（X）を満足させることも可能である。

《発明の実施形態２》
図７は、本発明の実施形態２の水力発電システム（10）を含む管路（1）の全体概略構成を示す。本実施形態の水力発電システム（10）は、実施形態１の水力発電システム（10）から第２分岐管（13）、第２電動弁（16）、及び第２流量計（18）を取り除いたものである。すなわち、本実施形態では、水車（60）の流量（Q1）が総流量（QT）に等しい。

本実施形態の水力発電システム（10）では、制御モード１における制御は実施形態１と同じであるが、制御モード２における動作が実施形態１とは異なっている。具体的に本実施形態の流量指令決定部（24）は、第２制御モードにおける水車（60）の流量（Q1）をゼロに制御する。より具体的には、流量指令決定部（24）は、第２制御モードによる制御を行う場合には、第１流量指令値（Q1*）としてゼロを出力する。それにより、流量制御部（25）は、第１電動弁（15）を全閉に制御し、その結果、水車（60）が停止する。すなわち、本実施形態の制御モード２では、発電電力（P）がゼロである。

また、本実施形態でも発電機コントローラ（20）は、管理期間（T）における積算流量（Qs）を所定の契約水量（X）に制御する。具体的には、次の式（３）を用いて第１制御モードによる運転時間（t1）を決めるとともに、既述の式（２）を用いて第２制御モードによる運転時間（t2）を求めている。

X＝Q1×t1 ・・・・式（３）
ただし、式（３）等において、Ｘは契約水量、Q1は第１制御モードで運転した場合における水車（60）の流量（瞬時値）であり総流量（QT）に等しい。また、式（３）において、ｔ１は第１制御モードでの運転時間である。

本実施形態でも、第１制御モードでは、システムロスカーブ（S）と最大発電電力曲線（E）との交点（R0）が、水車（60）の運転点となるように流量（Q1）が設定される。また、流量指令決定部（24）では、式（３）に基づいて運転時間（t1）が求められる。第１制御モードによる運転時間（t1）と第２制御モードによる運転時間（t2）が定まると、実施形態１と同様にして、本実施形態の流量指令決定部（24）でも、タイマー（22）が出力するタイマー信号（Sg）に応じて、第１制御モードと第２制御モードとの切り替えが行われる。

したがって、本実施形態でも、比較的電力料金が高い時間帯に、より大きな発電電力が得られる第１制御モードによる運転が実施される。そのため、本実施形態でも、昼間料金期間における商用電源（5）からの購入電力量を減らすことが可能になる。すなわち、水力発電システム（10）によって、購入電力料金の低減を図ることが可能になる。

また、本実施形態でも、管理期間（T）における契約水量（X）を満足させることも可能である。

《その他の実施形態》
なお、前記実施形態で説明した料金体系は例示であり、例えば、２４時間を３つ以上の区分に分割するような場合にも本発明を適用できる。そのような場合には、例えば、電力の単価が高い順に区分を選択して、制御モード１による運転時間を割り当てることが考えられる。この場合、単価が異なる複数の区分（時間帯）に制御モード１による運転時間を割り当ててもよい。

また、タイマー（22）の構成は例示であり、例えば第２制御モードの開始時刻に信号を出力するように構成したり、制御の開始時刻と終了時刻のそれぞれにおいて信号を出力するように構成したりすることが可能である。要は、第１制御モードと第２制御モードとを切り換えるタイミングを決定できればよいのである。

また、管理期間（T）は例示であり、例示した１日には限定されない。同様に契約水量（X）の値も例示であり、例示した値には限定されない。

また、水力発電システム（10）は、閉流路の一例である管路（1）に限らず、開流路や、閉流路（例えば管路）と開流路とが混在する流路にも設置できる。一例として、農業用水路に水力発電システム（10）を設置することが考えられる。

また、水車（60）に供給する流体は水には限定されない。例えば、ビルなどの空気調和装置に用いられるブラインを流体として利用することも考えられる。

また、水力発電システム（10）の設置場所は上水道（4）には限定されない。

本発明は、水力発電システムとして有用である。

５ 商用電源
１０ 水力発電システム
１３ 第２分岐管（迂回路）
２０ 発電機コントローラ（制御部）
２６ 料金情報取得部
５０ 発電機
６０ 水車

Claims (4)

1. 流体が流れる流路（1）に配置される水車（60）と、
   前記水車（60）によって駆動される発電機（50）と、
   前記発電機（50）によって所定の電力を発電する第１制御モードと、前記発電機（50）による発電電力が前記第１制御モードよりも小さい又は発電電力がゼロである第２制御モードとを切り換えて、前記水車（60）の運転点を制御する制御部（20）とを備え、
   前記制御部（20）は、商用電源（5）から購入する電力の単価がより高くなる時間帯に前記第１制御モードによる制御を行うとともに、所定期間（T）における前記流体の積算流量（Qs）が所定の目標値（X）になるように、前記所定期間（T）内における、前記第１制御モードによる運転時間（t1）と前記第２制御モードによる運転時間（t2）とを振り分けることを特徴とする水力発電システム。
2. 請求項１において、
   前記商用電源（5）の電力料金の情報を取得する料金情報取得部（26）を備え、
   前記制御部（20）は、前記料金情報取得部（26）が取得した前記電力料金の情報を用いて、前記商用電源（5）から購入する電力の単価がより高くなる時間帯に前記第１制御モードによる制御を行うことを特徴とする水力発電システム。
3. 請求項１又は請求項２において、
   前記制御部（20）は、所定の期間中の発電電力量（Psum）が最大となるように前記水車（60）を制御することを特徴とする水力発電システム。
4. 請求項１から請求項３の何れかにおいて、
   前記流体の少なくとも一部を前記水車（60）から迂回させる迂回路（13）を備え、
   前記制御部（20）は、前記第１制御モードでは、前記迂回路（13）に前記流体を流さない状態で前記水車（60）に前記流体を供給して前記発電機（50）を駆動させ、前記第２制御モードでは、前記迂回路（13）に前記流体を流しつつ前記水車（60）に前記流体を供給して前記発電機（50）を駆動させることを特徴とする水力発電システム。

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